Японцы научили амебоидных роботов управляться без мозга

По размеру робот Slimy сопоставим с футбольным мячом, но он не катится, а ползает (фото Takuya Umedachi).

Построенные в Стране восходящего солнца машины могут похвастать примитивным подобием сенсорной системы, мягким телом и умением целенаправленно передвигаться на манер слизевиков, вытягивая края своей «капли протоплазмы».

Робот Slimy – это исследовательский проект, родившийся на стыке инженерии и биологии. Его ведущий автор Такуя Умедати (Takuya Umedachi) из университета Хиросимы вдохновлялся удивительными способностями слизевика Physarum polycephalum, не раз становившегося предметом исследований.

В частности, более десятка лет назад профессор Тосиюки Накагаки (Toshiyuki Nakagaki) выяснил, что странное одноклеточное обладает неким примитивным подобием интеллекта, так как находит оптимальный путь из лабиринта к источнику пищи.

За эту работу в 2008 году Накагаки получил Игнобелевскую премию.

Накагаки ныне работает в университете будущего Хакодате (FUN) и продолжает опыты с миксомицетами.

Профессор утверждает, что клетки слизевиков проводят своего рода обработку информации, чтобы оптимизировать маршрут к пище, попутно избегая света (который может повредить их) (фотографии physorg.com, Toshiyuki Nakagaki, Nature, AFP).

Более того, ещё через пару лет «под руководством» Тосиюки тот же миксомицет P. polycephalum успешно решил комбинаторную задачу и воспроизвёл карту токийской железной дороги.

Так смелый новатор (Накагаки, разумеется, а не слизевик), заработал свою вторую Шнобелевку (2010 года).

Слизевики — грибоподобные наземные организмы — способны разгоняться до скорости в 0,4 миллиметра в минуту (фотографии Frankenstoen, Jerry Kirkhart/ flickr.com).

Эти забавные лишь на поверхностный взгляд работы биологов побудили Умедати детальнее разобраться со способностями миксомицетов и попробовать смоделировать их средствами робототехники. Примечательно, что в этом новом исследовании принял участие и Тосиюки Накагаки.

За последние годы Такуя выпустил немало научных работ, посвящённых мягким роботам, построенным по принципам биомиметики.

Основу робота Slimy составляет гибкий полимерный баллон, заполненный жидкостью и имитирующий плазмодий (многоядерное плодовое тело слизевика).

Внешняя «кожа» механического миксомицета составлена из набора «единиц контроля трения» (FCU), связанных между собой пружинками (RTS), в которые встроены датчики усилия и крошечные линейные электроприводы.

В донышке каждого модуля FCU имеется электромагнит, включая и выключая который, единица может закрепляться на плоскости, как якорь, или двигаться свободно.

Чередуя растягивание и освобождение пружинок с закреплением и отключением якорей, робот может двигаться в нужном ему направлении, примерно так же, как слизевик движется в сторону пищи – выбрасывая часть протоплазмы вперёд и далее подтягивая отстающую порцию.

При этом важным фактором становится неизменность массы протоплазмы (плазмодий вытягивается и сжимается, но сохраняет стабильным своё содержимое).

По информации Technology Review, главная цель Умедати и его соратников – не отработка нового вида передвижения, а изучение того, как миксомицеты ориентируются и движутся в верном направлении, не обладая даже намёком на нейронные сети или что-то подобное.

По словам учёных, в роботе-слизевике реализовано полностью децентрализованное управление с помощью связанных осцилляторов и исключительно местного сенсорного механизма обратной связи. Говоря проще, положение и «стремление» каждого фрагмента робота-плазмодия влияет на положение и на реакцию остальных.

И подобно тому как внутренние потоки в протоплазме слизевика, инициированные внешними химическими или световыми раздражителями, заставляют этот организм перемещаться к пище или прочь от опасности, крошка Slimy движется благодаря очень простым импульсам, которыми обмениваются его составные элементы.

Чуть позже Такуя создал и вторую модель амебоида — Slimy II.

Slimy II отличается от первой модели геометрией и деталями силового привода. Но ключевой принцип децентрализации всего управления остался тем же (фото Takuya Umedachi).

Данные машины не способны послужить ничем большим, нежели «модельными организмами». Но авторы исследования считают, что такой путь отработки необычных алгоритмов и узлов для роботов – продуктивнее чистого компьютерного моделирования.

Пусть аппараты Slimy пока не столь умны, как тот же слизевик (хотя слово «ум» тут применимо с большой натяжкой), но у детищ Умедати есть простор для развития. Японцы хотят сделать их всё более похожими на миксомицетов, не внешне, но по свойствам.

Так динамическая подстройка формы должна помочь подобному устройству приспосабливаться к внешней среде, примерно так, как это делает миксомицет.

Эксперименты показывают, что робот-слизевик способен на адаптивное передвижение, не полагаясь на какую-либо иерархическую структуру, сообщают изобретатели. (Подробности этой работы опубликованы в новой статье в Advanced Robotics.)

Испытания аппаратов Slimy являются частью работы, которую Умедати ведёт вот уже несколько лет. Он пытается научить роботов воспроизводить на уровне железа поведение слизевиков, представляющее, вероятно, одну из самых примитивных форм познания.

Такое поведение, по мнению японца, поможет роботам приблизиться к животным в гибкости реакции и отточенности движений. Ведь далеко не только слизевики, но и куда более сложные организмы в этом отношении отчасти полагаются именно на децентрализованные системы.

Любопытно, что способности слизевиков уже привлекали внимание робототехников. Шесть лет назад группа учёных из Японии и Великобритании скрестила всё того же Physarum polycephalum с роботом, научив железяку бояться света.

Умедати же исповедует иной подход. Пусть у нас будут обычные датчики, батареи, электромоторы, но зато всё работает по принципу слизевика.

Понимание тонкостей в функционировании этого удивительного творения природы может пригодиться не только в робототехнике. Другое возможное применение этих знаний – поиск новых алгоритмов оптимизации транспортных систем или построения схем энергетических сетей, устойчивых к отказу отдельных узлов.

Ведь при побеге из лабиринта или поедании пищи, разбросанной на плоскости, слизевики не вычисляют все возможные варианты действий, но получают результат даже лучший, чем если бы задачу оптимизации путей движения решал компьютер. Таким свойством слизевиков наделили миллионы лет эволюции. Разобраться в нём и попробовать скопировать – достойный вызов для междисциплинарной команды исследователей.



Робот-гепард установил мировой рекорд скорости бега

6 марта 2012

Hitachi обновила офисного андроида

28 февраля 2012

Андроид-астронавт впервые пожал руку человеку в космосе

21 февраля 2012

Учёные представили сверхлипкую ткань

17 февраля 2012

Инженеры научили робототехнический захват бросать предметы

15 февраля 2012
  • Антон Брандт  13 марта, 19:54
    весьма любопытно.
    а слизневик это официально название?
    а то я что то тварей таких прежде не видел.
    Только в фильмах фантастических живые сопли.
    какого они размера?
    ато вон тот желтый довольно симпатичный, если они еще и светятся в темноте, и не прихотливы в быту — отличный домашний питомец.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  13 марта, 19:57
    Вполне оф. Только «слизевик», а не «слизневик». Все ссылки на вики (где живёт, что ест) имеются в тексте и подписях к фото. Размер — до метров (есть много родов и видов).
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  13 марта, 20:03
    Только смотрите, чтоб он у вас не убежал. Всё таки они до 0,4 мм в минуту развивают. :-)
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  13 марта, 20:12
    главное чтобы в меня самого поры не пустил, пока сплю, а так пусть себе бежит)
    ОтветитьНравится
  • Чтоб не пустил поры, достаточно его разместить вечером на расстоянии не менее 20 см от кровати, тогда за среднестатистический восьмичасовой сон доползти не успеет.
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  13 марта, 20:11
    буржуйская вики не впечатляет и без картинок
    ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%81%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D1%86%D0%B5%D1%82%D1%8B
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  13 марта, 20:13
    эта ссылка есть в моей статье :-)
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  13 марта, 20:16
    я ж не претендую на лавры первооткрывателя.
    просто после первой же ссылки в вашей статье на буржуйскую вики, решил посмотреть в нашей, не ковыряясь в статье с дальнейшим поисков линков.
    Ну и поделился ссылочкой, вдруг кому тоже интересно.

    еще одна шарада из серии, что считать интеллектом.

    ОтветитьНравится
  • Имя Фамилия  13 марта, 20:47
    Две шнобелевки — это конечно круто. Так и до нобелевки дорастет. Кстати, сколько шнобелевок равно одной нобелевке? :-)
    ОтветитьНравится
  • Сергей Давыдов  13 марта, 22:05
    Тю, научили амебоидного робота управляться без мозгов — да Россия 100 очков вперёд даст по применению этой технологии к гораздо более сложным системам! Японцы мелко роют
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  13 марта, 22:46
    ну, не так уж и мелко, это часть механизма наработки инстинктов.
    как условных так и безусловных.
    и понять как именно это происходит и научиться воспроизводить, то можно будет много где применить.
    зачем роботу ии и развитая нервная система, если покрыв его кожей сделанной по этому принципу можно запросто добиться того, чтобы он реагировал на внешние раздражители?
    добавить накопление данных о схематических ситуацмях и последующее воспроизведение реакций, скажем при обнаружении 70% учтенных в схеме признаков и получаем обучаемость, ну или как минимум инстинктивное поведение.

    ну как у вас сейчас вот брызнет слюна на дисплей, при воспоминании вкуса лимона.
    оттерли?
    молодцы.

    а теперь скажите, что научить робота такому фигня?

    ОтветитьНравится
  • Павел Капитанов  14 марта, 08:55
    Мне кажется, что это был такой сарказм.
    ОтветитьНравится
  • Сергей Давыдов  14 марта, 01:02
    Ммм, лимона? Слюна не брызгала...
    Собственно, меня «более сильно» заинтересовал вопрос о применимости мозгов, робототехника — дело прочее
    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  14 марта, 04:05
    «Таким свойством слизевиков наделили миллионы лет эволюции.»

    _У Попова машина времени

    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  14 марта, 08:42
    Шамиль, спасибо, ваша религия понятна. Не надоело срать в каждый коммент?
    ОтветитьНравится
  • Каждый продуцирует ту субстанцию, на которую способен...
    Вы ж не ждете, что он в каждый коммент духами пшикать будет? :)
    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  14 марта, 11:44
    Не жду. Но к этому надо стремиться. Всем.
    ОтветитьНравится
  • Арсений Щедрин  14 марта, 12:06
    Шамиль, машина времени тут есть у всех кроме вас. Вам карма не позволяет.
    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  15 марта, 00:23
    «Шамиль, машина времени тут есть у всех кроме вас. Вам карма не позволяет.»

    _И как эта машина времени работает?

    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  15 марта, 00:26
    «Шамиль, спасибо, ваша религия понятна. Не надоело срать в каждый коммент?»

    _"Генки, спасибо, ваша религия понятна. Не надоело срать в каждый коммент?"

    ОтветитьНравится
  • Генки Умайоши  15 марта, 01:33
    Говорил попугай попугаю:
    «Я тебя, попугай, попугаю!»
    Отвечает ему попугай:
    «Попугай ты меня, попугай --
    Я ведь пуганый попугай!»
    ОтветитьНравится
  • Юрий Панов  14 марта, 05:56
    спорная статья, в научном плане спорная. а для шнобелевки — как раз. ведь этот гриб проползая через лабиринт скорей всего ориентируется на запах и элементарно выбирает путь туда, откуда сильнее пахнет. весь его «интеллект» умещается в пару строчек формата: IF ... THEN ...
    а вот робо-плазмоид — что-то интересное. если бы еще его в 3х измерениях собрали, а не на плоскости.
    ОтветитьНравится
  • Юрий Панов  14 марта, 05:58
    «плазмоид» — ну как завернул-то... ))
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  14 марта, 15:03
    "скорей всего ориентируется на запах и элементарно выбирает путь туда, откуда.. "

    Полагаю там не всё совсем уж примитивно. Лабиринт открыт, так что запах везде одинаков. и потом запах может вести и в тупик.

    Шнобелевка-шнобелевкой, но у Накагаки и коллег были целые научные статьи, описывающие сложную реакцию миксомицетов на внешние раздражители и их, слизевиков, передвижения.

    ОтветитьНравится
  • Александр Вихров  14 марта, 17:23
    Юрий Панов, ну что вы о нем знаете? Какой там THEN? Это одноклеточные, которые обмениваются информацией между собой, могут как раздельно пастись, так и сформировать плодовое тело, да еще построить катапульту, что бы забросить споровый мешок подальше.
    ОтветитьНравится
  • Юрий Панов  15 марта, 08:06
    знаю ровно столько, сколько вики позволила узнать, как и многие тут.
    и я отсекаю всякие бред-предположения об интеллекте это ГРИБА. а то это уже отдает мракобесием каким-то...
    ОтветитьНравится
  • Юрий Панов  15 марта, 08:12
    Леонид, а какой способ еще может быть? На картинках видно что эта штука совершала ошибки. Очевидно что рост в неверном направлении происходил ровно до тех пор, пока запах в неверном направлении не становился слабее относительно иных вариантов роста. Просто ему же надо как-то получать информацию о том куда оно движется. А запах — самое логичное. Ведь вряд ли там какой-то квантовый механизм расчетов использовался с получением информации из черт-его-знает-откуда. )
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  15 марта, 08:19
    да не интеллект.
    он ему и не нужен.
    поверхность организма покрыта рецепторами (не суть важно какими именно) путь доступно всего два логических состояния 1 и 0
    Далее пусть 1 будет наличием еды, а 0 соответственно отсутствием, вместо разветвленной и сложной нервной системы, задействовано «чувство локтя» — тот участок существа который уловил информацию передает ее соседним, те другим и вуаля, есть движение в нужном направлении.
    Вы же отдергиваете руку от корячей сковороды даже не успев осознать и обработать болевой импульс. Тут, видимо то же самое.
    Чем плохо воссоздать такой механизм у роботов?
    Датчиков то можно нацеплять десятки разных видов.
    ОтветитьНравится
  • Антон Кузнецов  15 марта, 11:56
    Не дай Бог Такуя Умедати узнает, что дело всей его жизни яйца выеденного не стоит, и ресурсы его интеллекта потрачены зря )))
    ОтветитьНравится
  • Михаил Тоцких  17 марта, 12:57
    Антон, не заработает. вы упустили центр обработки этих 0 и 1 ;)
    А руку от горячей сковороды мы отдергиваем успевая обработать импульс... ;)
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  17 марта, 13:24
    Несомненно, импульс обрабатывается, но мы это не осознаем.
    Не успеваем просто.
    И вряд ли в обработке принимает участие мозг.
    Слишком уж это примитивная для такого органа задача
    ОтветитьНравится
  • Михаил Тоцких  18 марта, 01:32
    рецепторы > А-дельта-волокна > спинной мозг > мотонейроны — 0,3с
    паралельно этому
    рецепторы > C-волокна > головной мозг — 0,8с

    и спинной и головной... но лапку отдергивает спинным

    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  18 марта, 02:46
    хорошо, а что отдергивает лапку у простейших одноклеточных организмов?
    у них то нет ни головного, ни спинного мозга.
    сопли эти живые как то реагируют на раздражители, безо всяких центров обработки импульсов, чисто сетью рецепторов.
    как у них это получается?
    ОтветитьНравится
  • Михаил Тоцких  18 марта, 12:20
    Антон, я говорил ток об обработке информации разрозненными датчиками как вы предлагали. Без единого центра это просто рой получается, со всеми его плюсами и минусами.
    ОтветитьНравится
  •   14 марта, 11:56
    ох и раздергал бы я енту штуку на линейные микроприводы, кучу полезных вещей мона сделать. А желтая шняга отлично моделируется и не надо в железе ее делать ни разу :-)
    ОтветитьНравится
  • Андрей Данилейко  14 марта, 12:31
    А мне понравилось как он ползает — своими неуклюжими движениями поднял утром настроение ))
    ОтветитьНравится
  • Евгений Петров  14 марта, 14:29
    Про слизневиков было много и интересно с передаче BBC «Strange Science of Decay».
    Рекомендую.
    робот тоже был, слизневик вместо ЦПУ.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  14 марта, 14:58
    только «слизевиков»
    «слизевик вместо мозга робота» — в тексте есть ссылка на статью.
    ОтветитьНравится
  • Вад Перез  15 марта, 07:06
    Простите, что такое «примитивная форма познания»?
    ОтветитьНравится
  • Тимофей Максименко  8 апреля, 21:26
    По-моему сама идея децентрализованного управления просто гениальна. По сути дела каждый «отдельно взятый» элемент реагирует на «суммарный» фактор из трех составляющих «голод»+"безопасность"+"целостность", и таким образом хотя никто и ничто в этой системе не принимает «решений», а всего лишь реагирует, но тем не менее вся система способна находить некое, возможно даже, оптимальное решение. Возможно я не прав, но я думаю, что используя этот принцип децентрализованного управления, вполне возможно написать линейный алгоритм игры в шахматы, используя который компьютеру не понадобится куча времени на просчитывание дерева вариантов, а достаточно будет просто отреагировать на сложившуюся ситуацию. Говоря языком заголовков для журнальных статей, — грибы можно научить играть в шахматы!
    ОтветитьНравится
  • Наум Холмский  8 апреля, 21:39
    Тимофей, не надо перепрыгивать через этапы и ждать яблок от ёлок..
    Такие ии-образные системы появились на заре ии-исследований
    MIT/CMU/Stanford, первым был Френк Розенблатт,
    есть даже его книжка на русском..

    Не всегда эти иишки бегают,
    у Френка они фотки чел лиц распознавали,
    и классическое название Этого — Swarm Intelligence (SI)..

    BTW: В моем тут-очном блоге
    будет описание другого японо-ии-гуру
    с «умной» плесенью и «разумными» грибами.. www.membrana.ru/user/13856

    ОтветитьНравится